Drohnen in Katastrophengebieten: X Vein von Team ROK rettet Leben dank Generativem Design

Im Katastrophenfall ist schnelles Handeln gefragt, um Betroffene innerhalb möglichst kurzer Zeit mit überlebenswichtigen Ressourcen zu versorgen. Unter den schwierigen Bedingungen unmittelbar nach Stürmen, Erdbeben oder Überschwemmungen haben sich Drohnen bereits weltweit als Segen für die Katastrophenhilfe bewährt. Nun wollen zwei junge Maker aus Japan einen einschneidenden Beitrag zur Krisenbewältigung leisten – mit einer neuen lebensrettenden Drohne namens X VEIN.

Yuki Ogasawara und Ryo Kumeda, auch bekannt als Team ROK, waren gerade mal 15 Jahre alt, als das verheerende Tōhoku-Erdbeben und der nachfolgende Tsunami am 11. März 2011 ein Bild grauenhafter Verwüstung im Nordosten Japans hinterließen. Wie so viele ihrer Landsleute suchten auch die beiden Freunde nach einer Möglichkeit, anderen in der Folgezeit der Katastrophe zu helfen – ein Vorhaben, das ihre Kreativität anregen und schließlich in der Entwicklung einer innovativen Drohne münden sollte.

Zu dieser Zeit begannen Drohnen gerade, in die öffentliche Aufmerksamkeit zu rücken, und Ogasawara und Kumeda machten es sich zur Aufgabe, für die aufkommende Technologie eine Anwendung im Rahmen der Krisenbewältigung zu finden. Dass die beiden der Herausforderung mehr als gewachsen waren, zeigen ihre früheren Erfolge: Sie gingen bereits als Gewinner des Fighting Spirit Prize aus dem für Schüler organisierten Programmierwettbewerb National High School Programming Contest hervor (mit einem per Smartphone gesteuerten Roboterarm) und ergatterten sich den siebten Platz bei der Rescue-Disziplin des RoboCup Junior Japan Open, bei der von den Teilnehmern entwickelte Roboter einen Parcours bewältigen und „Opfer“ retten müssen. So überrascht es auch nicht, dass Team ROK 2012 mit der Entwicklung einer Multicopter-Drohne begann und sich 2015 den ersten Platz in der Multicopter-Kategorie des National Student Indoor Flying Robot Contest holte.

Auf den Flügeln dieser Erfolge entschied sich Team ROK, an der Maker Faire Tokyo 2016 teilzunehmen und dort unter dem Namen X VEIN eine neue und innovative Drohne vorzustellen, die speziell für den Einsatz in Katastrophengebieten sowie Such- und Rettungsmissionen entwickelt wurde. Neben ihrer im Vergleich zu anderen Modellen längeren Flugzeit, ihrer verstärkten Rahmenstruktur und ihrem Propellerschutz zur Vermeidung von Schäden im Falle eines Absturzes konnte die X VEIN Besucher fernerhin durch ihre einzigartige X-förmige, gitterartige Konstruktion überzeugen, die ein wenig an die Flügel einer Libelle erinnert.

Angesichts des großen Anklangs, den die Drohne auf der Fachmesse fand, ist es kaum zu glauben, dass diese wohl nie zustande gekommen wäre, hätte Team ROK nicht zuvor an einem Event im angesehenen Tech-Inkubator DMM.Make AKIBA in Tokyo teilgenommen. Hier kamen Ogasawara und Kumeda zum ersten Mal mit Software für Generatives Design in Berührung. Schnell war klar, dass ein solches Tool unentbehrlich für die Entwicklung einer Drohne war, die in Sachen Rahmenstärke, Leichtigkeit, Aufnahmefähigkeit sowie Sicherheits- und Hilfeleistungsfunktionen die Anforderungen der beiden Maker erfüllen konnte.

„Es gibt viele Gründe, weshalb Drohnen bislang nicht in Katastrophengebieten zum Einsatz kommen, allen voran der Mangel an Sicherheits- und Hilfeleistungsfunktionen, die Größe und das Gewicht sowie die geringe Anpassungsmöglichkeit“, so Ogasawara.

Es versteht sich von selbst, dass die Gestaltung einer jeden Drohne ein Tool voraussetzt, das es ermöglicht, solche Aspekte zu berücksichtigen und gezielt anzupassen. Generatives Design stellt computergenerierte schematische Darstellungen zur Verfügung, die sich anschließend per 3D-Druck umsetzen lassen. Hierdurch entstehen leichtere Designs, als bisher mit herkömmlichen Fertigungsverfahren möglich war – und genau das ist von wesentlicher Bedeutung für die Konstruktion einer Drohne, die entsprechenden Gewichtsanforderungen gerecht wird.

„Damit eine Drohne in der Luft schweben kann, muss die von ihr generierte Auftriebskraft exakt ihrem Gewicht entsprechen“, erklärt Ogasawara, der für die mechanischen Komponenten der X VEIN verantwortlich ist. „Ändert sich das Gesamtgewicht auch nur um 5 Prozent, hat dies Auswirkungen auf die Steuerung der Drohne. Deshalb muss unsere Drohne unbedingt so leicht wie möglich werden.“

Dank Generativem Design ließ sich die Vision einer höchst anpassungsfähigen Drohne unter Einhaltung der strengen Anforderungen bezüglich Größe und Gewicht verwirklichen. Bei der Gestaltung der einzigartigen äußeren Struktur der X VEIN vertraute Team ROK auf eine Voreinstellung für Gitterstrukturen des Software-Tools Within von Autodesk. Die Software erlaubte es dem Team, die Dichte des Gitternetzes anzupassen und so das Verhältnis zwischen Gewicht und Robustheit zu optimieren. Für den Druck eines 3D-Modells der komplexen Gitterstruktur griff man auf die Dienste von iJet zurück.

X VEIN hebt ab

Ogasawara, der zurzeit am Fachbereich Elektrische und Elektronische Anlagen der Universität Saitama studiert, absolvierte Anfang 2016 ein Praktikum beim Hardware-Start-up Exiii. Hier hatte er die Gelegenheit, mit Chief Creative Officer und Gestalter Tetsuya Konishi zusammenzuarbeiten. Knapp 3 Monate später standen bereits die ersten konzeptuellen Designskizzen für die X VEIN. Die mithilfe von Generativem Design entworfene Gitterstruktur wurde in den Rahmen der Drohne integriert – der Anfang des derzeitigen Modells.

Ogasawara erinnert sich an die Modellierung des äußeren Rahmens der Drohne, bei der es besonders eine große Herausforderung zu überwinden galt: „Der Entwurf wies eine Reihe von Freiformkurven auf, die generell schwer in 3D-Form umzusetzen sind. Wacom stellte uns ein Cintiq zur Verfügung, ein grafisches Zeichen-Stifttablett, mit dessen Hilfe wir innerhalb von Autodesk Fusion 360 ein auf unseren Skizzen basierendes Modell auf die Beine stellen konnten. Das Tool erleichterte es wesentlich, unseren Entwurf gemäß unseren Vorstellungen in einer 3D-Umgebung exakt nachzubilden.“

Kumeda, derzeit bei einem Kommunikationsinfrastruktur-Unternehmen tätig, ist der Elektronik-Experte hinter den Motoren, Akkus und ähnlichen Komponenten der X VEIN. „Ich begann mit der Bauteilauswahl, nachdem unsere vorläufigen Skizzen fertig waren und wir die passende Größe für den Prototyp ermittelt hatten“, erklärt er. „Nachdem wir uns für die richtigen Motoren und Propeller entschieden hatten, machten wir uns Gedanken über die operative Leistungsfähigkeit und die Größe des benötigten Akkus.“

„Da wir bei der Steuerung mit einer Frequenz von 2,4 GHz arbeiten, hat die Drohne eine Betriebsreichweite von 500 Metern ohne jegliche Störungen“, fügt Kumeda hinzu. „In Japan müssen Drohnen laut Gesetz zu jeder Zeit in Sichtreichweite des Piloten bleiben. Unsere tatsächliche Reichweite beträgt deshalb in etwa 100 Meter.“

Die Kamera der Drohne wurde an einer kardanischen Aufhängung angebracht, um sie vor Vibrationen zu schützen und Neige- und Kippbewegungen vorzubeugen, wodurch das Bild stabilisiert wird. Die Drohne überträgt die Aufnahmen in Echtzeit auf ein Smartphone und macht es unter anderem möglich, in Gebiete vorzudringen, die infolge einer Katastrophe nicht auf anderem Wege zugänglich sind, und die dort vorherrschenden Zustände zu prüfen. Darüber hinaus könnte die Drohne mit Thermografie- oder Infrarot-Bildgebungsgeräten zur Lokalisierung von Überlebenden ausgestattet werden. Da die meisten Komponenten der X VEIN aus dem 3D-Drucker stammen, ließen sich Ersatzteile außerdem schnell und unkompliziert vor Ort herstellen – ein wesentlicher Vorteil in Katastrophengebieten.

Dabei soll das aktuelle Modell laut Team ROK nur der Anfang sein. Auf Dauer besteht das Ziel der jungen Maker darin, ein noch leichteres, hochmodernes Modell mit längerer Flugzeit zu entwickeln. Nicht umsonst ist die X VEIN seit Anfang an als Open-Source-Projekt angelegt: Der durchschnittliche Benutzer soll in der Lage sein, die Drohne nachzubauen und individuell anzupassen. Die Idee dahinter? Die Drohne soll sich nicht nur in ihrer aktuellen Rolle bei Such- und Rettungsmissionen weiterentwickeln, sondern irgendwann sogar darüber hinauswachsen und völlig neue Zwecke erfüllen. In den Worten Ogasawaras verfolgt sein Team mit der X VEIN, die bezeichnenderweise aus den Trümmern infolge einer Naturkatastrophe entstanden ist, eine ganz besondere Aufgabe: Sie wollen sich zu Ingenieuren entwickeln, die Menschenleben verbessern. Für Team ROK bedeutet dies wohl vor allem, Leben zu retten und anderen kreativen Köpfen Inspiration zu schenken.